一种大功率光伏模拟电源的设计

摘要：本文提出了一种大功率光伏模拟电源的设计方法，可以为500kW及以下功率等级的光伏逆变器提供模拟光伏特性的直流电源。该电源由万能断路器、变压器、整流电路、BUCK降压电路组成。其中变压器采用3绕组输出且每个绕组的相序差15°，以减小注入电网的电流谐波。整流电路采用3组二极管全桥整流桥串联，输出直流电压可达1000 V以上。BUCK降压电路采用3桥臂并联结构，每相桥臂上管轮流导通，以减小直流输出电压纹波。采样直流电压和电流在FPGA中计算平均值，采用DSP作为主控制器，计算PV曲线并对直流电流做PI调节。试验结果表明，所述光伏模拟电源能够较好地模拟光伏电池特性曲线，适用于500kW光伏逆变器的MPPT功能测试。

引言

　　太阳能是化石能源的主要替代能源之一，且清洁无污染、资源丰富。太阳能发电是直接将太阳的光能转变成电能，这是有效利用太阳能的方主要形式。太阳能发电系统分为离网发电系统、并网发电系统及分布式发电系统。其中并网和分布式发电功率都已经向大功率发展，一般都几百千瓦到几十兆瓦，甚至达到上百兆瓦。此系统使用的光伏阵列也经过多级串并联，同时所使用光伏逆变器功率等级也提高到了100kW~1MW。这就要求大功率的模拟光伏电源来模拟串并联后光伏阵列，达到所需要的功率等级。给光伏逆变器提供直流供电，同时具有光伏电池的特性，完成对光伏逆变器性能的测试。

　　本文介绍了一种大功率光伏模拟电源，来实现对光伏阵列MPPT功能的模拟。

1 光伏电池工作原理

　　光伏电池实际上就是一个大面积平面二极管，其等效的实际电路模型如图1。

　　图中R_L为外接负载电阻，U_L为负载电压(即光伏电池的输出电压)，I_L为负载电流(即光伏电池输出电流)。

　　I_sc代表光子在光伏电池中激发的电流，这个量取决于辐照度、电池的面积和本体的温度。

　　I_VD(二极管电流)为通过P-N结的总扩散电流。

　　R_s和R_sh为光伏电池固有电阻，R_s为串联电阻，R_sh为旁路电阻。

　　根据图1，可以得出负载电流I_L为

(1)

(2)

　　因为串联的R很小、并联的Rsh很大，所以进行理想电路计算时，可以忽略不计，因此理想的光伏电池特性为

(3)

　　由公式(3)可以得出光伏电池的U-I特性曲线，如图2所示。此曲线为光伏电池的外特性即输出特性，这是光伏发电系统设计的重要基础。

　　可以根据U-I特性曲线绘制出功率和电压P-U曲线，如图3所示，以便于精确的确定最大功率点。

2 系统功能设计

2.1 硬件电路设计

　　大功率光伏模拟电源由万能断路器Q1、变压器T1、整流电路和BUCK降压电路组成，如图4所示。

　　其中变压器为多抽头输入、3绕组输出800kVA干式裂解变压器，输入抽头可以选接三相420Vac、三相400Vac、三相380Vac;输出3个绕组第一个绕组与第二个绕组相序相差15°，第二个绕组与第三个绕组相序相差15°，3个绕组额定输出电压都为270Vac。采用该种变压器主要是为了减小整流电路对电网谐波的影响。

　　整流电路采取二极管半桥整流，本系统采用3个整流电路串联结构，用来将整流输出电压提高3倍。图4中的V1、V2、V3为整流电路。

　　每个整流电路由3个熔断器、3个整流模块和滤波电容组成，如图5所示。

　　本系统整流输出最大电压

(4)

　　其中K为变压器变比，U_in为变压器输入电压。

　　当变压器在额定电压工作时，U_Rmax=1145Vdc。

　　BUCK降压斩波电路由3组IGBT模块(每个IGBT模块由2个IGBT和2个反向二极管组成上下管)和3个电抗器组成。IGBT功率模块G1和电抗器L1构成一组降压电路，同样IGBT功率模块G2和电抗器L2、IGBT功率模块G3和电抗器L3构成另外两组降压电路。3组降压电路最终并联到同一直流母排上，经过电容滤波后完成并联输出。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第3期第35页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。